血球細胞と周囲組織間の酸素輸送動態をシミュレーションすることに成功~物質輸送現象の解析を可能にする新しい数理基盤の構築~

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2026-05-14 九州大学

九州大学、東京科学大学、大阪大学の共同研究グループは、赤血球と周囲組織間の酸素輸送動態を高精度に再現する数値シミュレーション技術を開発した。生体内の酸素輸送は、赤血球流動、ヘモグロビンの酸素化・脱酸素化、酸素の移流拡散、組織による酸素消費が同時進行する複雑現象であり、従来は全体像の解析が困難だった。研究チームは、これらを統合する「混合化方程式」に基づく数理モデルを構築し、赤血球膜内部、血漿、組織を含む混合相での酸素動態シミュレーションに成功した。その結果、毛細血管網内で赤血球分布が不均一でも、酸素分圧に応じた酸素放出が組織内酸素濃度を均一化する自己調節機構として機能することを解明した。また、血管網構造や赤血球変形により流動抵抗(見かけの粘性)が揺らぐことも示された。本技術は、人工臓器設計やドラッグデリバリー研究に加え、化学反応を伴う物質輸送解析技術としてエネルギー・材料分野への応用も期待されている。

血球細胞と周囲組織間の酸素輸送動態をシミュレーションすることに成功~物質輸送現象の解析を可能にする新しい数理基盤の構築~
【参考図】流動する赤血球の内部と周囲,そして組織における酸素動態の数値シミュレーションの例。

<関連情報>

微小循環における血流ダイナミクス下での酸素輸送と代謝に対する拡散界面アプローチ Diffuse interface approach to oxygen transport and metabolism under blood flow dynamics in microcirculations

Naoki Takeishi, Junya Kobayashi, Shigeo Wada, Satoshi Ii
International Journal of Heat and Mass Transfer  Available online: 27 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.128822

Highlights

  • A diffuse interface model is developed for oxygen transport in cellular-scale blood flows.
  • The mixture formulation enables the seamless treatment of interfacial jumps.
  • Clarifying a relationship between cellular dynamics and tissue oxygenation in microvascular system.

Abstract

The relationship between the spatiotemporal distribution of oxygen transport and blood flow dynamics, accounting for the motion and deformation of individual red blood cells (RBCs), is of fundamental importance for understanding microcirculation systems. Three-dimensional (3D) modeling is indispensable for addressing complex oxygen transport and cellular behaviors in capillary networks; however, the computational approach is formidable for enforcing interface (or jump) conditions on largely moving and deforming interfaces. In this paper, we propose a diffuse interface approach for the oxygen transport using a mixture formulation. We formulate oxygen transport using an advection–diffusion–reaction equation and rewrite all governing equations in mixture forms using phase indicator functions, where all the interface conditions are included in the governing equations. This innovation avoids the complexity associated with discontinuities for largely moving interfaces in highly dense RBC conditions. We model cellular flow as a fluid–membrane interaction problem using the immersed boundary method (IBM). The method allows the seamless calculation of coupling problems for cellular flows and oxygen transports in the cytoplasm (internal fluid) of the RBC, plasma (external fluid), and tissue regions using a fixed Cartesian coordinate mesh. The proposed method accurately captures the analytical solution for spherically symmetric diffusion, and successfully demonstrates oxygen transport in both straight capillaries and their networks. These rigorous analyses suggest that RBCs can autonomously regulate the oxygen supply to tissues in response to the local tissue oxygenation level, resulting in the establishment of homogeneous tissue oxygenation.

生物化学工学
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